技术领域 本发明总的涉及镍基合金。更具体地说，本发明涉及具有适用于 燃气涡轮发动机应用方面的显示所希望特性的可铸和可焊的镍基合 金。 背景技术 超级合金GTD-222(美国专利No.4,810,467)具有适用于燃气涡 轮发动机应用方面的许多期望特性，诸如用于涡轮部分的较后(第二 和第三)级中的喷嘴(叶片)。GTD-222的标称组分(按重量计算) 为：约19％的钴、约22.5％的铬、约2％的钨、约1.2％的铝、约2.3％的 钛、约3.5％的Al+Ti、约0.8％的钶(铌)、约1.0％的钽、约0.01％的硼、 约0.01％的锆、约0.1％的碳，其余主要为镍和附带杂质。如同其他镍 基合金的成分一样，GTD-222的改进包括对某些关键性合金元素的浓 度的精心和可控调节以达到所需的性能组合。对于涡轮喷嘴方面的应 用，特别是对于使用GTD-222的后级喷嘴，这样的性能包括高温强度、 可铸性、可焊性以及耐低周期疲劳、耐腐蚀和耐氧化的性能。涡轮部 分的第二级内的热环境是非常恶劣的，因此由GTD-222合金制成的喷 嘴需要抗氧化涂层、阻热涂层(TBC)和/或内部冷却。GTD-222的性 能足以使第三级喷嘴达到没有这样的附加措施的喷嘴所需的设计寿 命。 当试图使一种超级合金的任何一个的期望性能达到最佳时，其他 性能通常会受到不良影响。特定的示例是可焊性和抗蠕变性，这两个 性能对于燃气涡轮发动机喷嘴是非常重要的。但是较高的抗蠕变性会 使合金比较难以焊接，而必须利用焊接进行修补。我们相信，GTD-222 所表现的蠕变强度和可焊性的期望组合是在合金中使用适量的铝、 钛、钽和铌所导致的。这些元素中的每一种参与γ主弥散强化相 (Ni3(Ti，Al))。铝和钛是形成γ主相的关键元素，而钽和铌的主要作 用是参与MC碳化物相。在MC碳化物形成后剩余的钽和铌对于γ主相的 形成起到很少的但不重要的作用。 尽管GTD-222已经被证明是非常适合用作燃气涡轮发动机的后级 喷嘴的合金，但是也期望采用其他可选择的材料。目前所关注的是减 少所使用的钽，这是由于其成本很高。但是，钽含量较小的合金的性 能最好接近GTD-222，特别是用于第二和第三级喷嘴的合金的性能。 发明概述 本发明提供适用于燃气涡轮发动机的后级喷嘴，特别是第二和第 三级喷嘴并具有所期望的强度(包括抗蠕变性)和耐腐蚀、耐氧化性 能平衡的镍基合金。该合金还是可铸的，比GTD-222容易焊接并且具 有可接受的热处理要求。利用排除钽或者使钽含量达到较低的程度并 且使铌含量保持达到较高的程度来获得与GTD-222合金类似的性能的 合金来达到这些所期望的性能。 根据本发明，该镍基合金主要包括，用重量百分比表示，10％- 25％的钴、20％-28％的铬、1％-3％的钨、0.5％-1.5％的铝、1.5％- 2.8％的钛、0.8％-1.45％的铌、钽的含量低于铌并且Cb+0.508Ta为1.15％ -1.45％、0.001％-0.025％的硼、高达0.05％的锆、0.02％-0.15％的碳， 其余主要为镍和附带杂质。该合金的铌含量至少为0.9％较好，最好至 少为1.25％，而该合金的钽含量优选小于0.5％，最好完全从合金中排 除。 本发明的合金具有与GTD-222合金相当的性能，具有改良的延展 性和可焊性，并且不会使可铸性降低。应该注意的是，在不牺牲抗蠕 变性的前提下提高可焊性。即使钽和铌的相对含量与GTD-222的相反， 即，在该合金中含有的铌多于钽，最好，钽的最大含量低于GTD-222 所需的钽的最小含量。我们相信，使合金中的铌和钽的总的原子百分 比基本上保持不变能够达到期望性能，其中由于根据公式Cb+0.508Ta表示组合总量，因此与钽相比，铌对总量的影响是较大的。与GTD-222 相反(美国专利No.4,810,467)相反，当利用基本上不含钽，即仅 包括杂质含量的钽的合金铸造时第二和第三级喷嘴具有极好的性能。 因此，本发明的合金由于减少或者消除了对钽的需求而提供了一种极 好的并且低成本的GTD-222的替代物。 从下面的详细描述中可以更好地看出本发明的其他目的和优点。 附图的简要说明 图1至图3是描绘GTD-222镍基合金和在本发明的保护范围内的镍 基合金的抗拉强度、屈服强度和延伸百分率相对于温度的关系的图 表。 图4和图5分别是描绘GTD-222合金和在本发明的保护范围内的合 金在1400°F和1600°F下的低循环疲劳寿命的图表。 图6是描绘GTD-222合金和在本发明的保护范围内的合金在1450°F 和1600°F下的蠕变寿命的图表。 本发明的详细描述 本发明是努力开发一种性能与市场上被称为GTD-222并且在美国 专利No.4,810,467中披露的镍基合金相当的镍基合金的结果，美国 专利No.4,810,467中所披露的内容在这里作为参考，但其化学成分 被精心平衡以减少或者完全消除钽。该研究导致在性能特别适于燃气 涡轮发动机的第二或者第三涡轮级中所用的喷嘴的镍基合金的开发。 因此，所关注的特定性能包括蠕变强度、可焊性、疲劳寿命、可铸性、 冶金稳定性和耐氧化性。该研究的结果是，增大铌含量以代替钽的缺 少，因此从根本上改变了GTD-222中的已知影响γ主弥散强化相的两 种微量合金元素。 镍基超级合金的高温强度与γ主相的体积百分率是直接相关的，γ 主相的体积百分率又与所存在的γ主相形成元素(铝、钛、钽和铌) 的总量是直接相关的。基于这些关系，可估计达到已知强度所需的这 些元素的量。也可根据合金的初始化学组分和一些关于形成这些相的 基本假设估计γ主相和其他副相(诸如碳化物和硼化物)组分以及γ主 相的体积百分率。利用这样一种程序，可以推断，具有所需用于第二 和第三级喷嘴的蠕变强度的合金应该包含体积百分比为18或者更多的 γ主相。但是，对于燃气涡轮发动机喷嘴比较重要的其他性能，诸如 可焊性、疲劳寿命、可铸性、冶金稳定性和耐氧化性不能根据这些和 其他元素的含量来预测。 在研究过程中，配制和铸造具有下面表I中所列出的近似化学成 分的两种合金。制备GTD-222合金铸件，GTD-222合金具有下列近似 化学成分，重量百分比约19％的钴、约22.5％的铬、约2％的钨、约1.2％ 的铝、约2.3％的钛、约0.8％的铌、约1.0％的钽、约0.008％的硼、约0.022％ 的锆、约0.1％的碳，其余主要为镍和附带杂质。每一种合金铸件经受 下列热处理工艺，即需要在大约2100°F(约1150℃)下进行约两个小 时的固溶处理，接着在大约1475°F(约800℃)下进行约8个小时的时 效处理。以一种常规的方式将铸件机加工成试样。 表I 合金号 B1 B2 Co 19.06 19.10 Cr 22.86 22.40 W 1.96 2.02 Al 1.17 1.21 Ti 2.29 2.32 Cb 1.28 1.32 Ta 0.01 0.09 B 0.003 0.003 Zr 0.007 0.007 C 0.09 0.10 Mo ＜0.01 0.03 Hf ＜0.01 0.00 Ni 余量 余量 选择上述合金含量以评估用铌代替钽的效果，但其他成分保持GTD -222的组分。利用标准光滑条状试样确定合金的拉伸性能。图1、图 2和图3中列出了标准化数据，其中“222基线，平均值”表示特定性 质的GTD-222的历史平均值，“222Cb-供应者1”表示B1试样的数据， 以及“222Cb-供应者2”表示B2试样的数据。还对利用与B1试样相同 的合金铸造的燃气涡轮发动机喷嘴进行评估。该数据表示，B1和B2试 样的抗拉强度比GTD-222基线约低3％至5％，但B1和B2试样中的延伸 率却高很多-大约高30％至40％。与GTD-222相比，B1和B2合金的延 伸率高并且抗拉强度类似，这表明，试验的合金适于作为GTD-222的 替换物。 图4和图5分别是表示B1和B2合金与GTD-222在1400°F(约760℃) 和1600°F(约870℃)下的低循环疲劳(LCF)寿命的图表。在两个试 验中，对0.25英寸(约8.2毫米)的条进行裂纹产生反复测试。在图4 中，为评估的合金(平均)以及GTD-222绘制3σ(“3S”)。3σ图表 示B1和B2合金在1400°F下的LCF寿命基本上与在应变值高于0.5％的 GTD-222基线相同，但在应变值低于0.5％的情况下，LCF寿命降低15 ％至25％。在图5中，1600°FLCF测试的数据表明，B1和B2合金具有 基本上与GTD-222相同的LCF寿命。 图6是表示B1和B2合金与GTD-222在应变值约为0.5％并且温度约 为1450°F(约790℃)和1600°F(约870℃)下的蠕变寿命的图表。在1450°F 的测试温度下，B1和B2合金具有基本上与GTD-222相同的蠕变寿命。 在1600°F的测试温度下，根据拉伸数据可以推断，B1和B2合金的短期 寿命低于GTD-222。但是，图6表明，B1和B2合金的长期寿命基本上 与GTD-222相同。 对B1和B2合金进行附加测试以与GTD-222比较其他各种性能。这 样的测试包括高循环疲劳(HCF)和低循环疲劳(LCF)测试、耐氧化 性、可焊性、可铸性、扩散涂覆性能和物理性能。在所有这些研究中， B1和B2合金的性能基本上与GTD-222基线的相同，但是可焊性除外， 我们惊异地发现，B1和B2合金的可焊性在抗断裂方面略微好于GTD- 222。另外，可以确定在B1和B2合金中的TIG焊缝的LCF寿命比形成在GTD -222中的TIG焊接头的LCF寿命约长两倍，这与可焊性研究结果是一 致的。 综上所述，我们相信，具有表II中所列出的γ主相含量(体积百 分比)和一般、优选和标称组分(重量百分比)的合金具有与GTD-222 相当的性能，因此适于用作燃气涡轮发动机的后级喷嘴的合金以及需 要类似性能的其他应用。 表II 一般 优选 标称 Co 10-25 18.5-19.5 19 Cr 20-28 22.2-22.8 22.5 W 1-3 1.8-2.2 2 Al 0.5-1.5 1.1-1.3 1.2 Ti 1.5-2.8 2.2-2.4 2.3 Cb 0.8-1.45 1.25-1.45 1.3 Ta 小于Cb 小于0.5 0.0 Cb+0.508Ta 1.15-1.45 1.25-1.45 1.3 B 0.001-0.025 0.002-0.015 0.01 Zr 高达0.4 0.005-0.02 0.01 C 0.02-0.15 0.08-0.12 0.1 Ni 余量 余量 余量 γ′ 25-38体积％ 33-38体积％ 得到公式Cb+0.508Ta以使合金中组合的钽和铌的总原子百分比 保持恒定，尽管铌是明显优选的。优选的是，使钽的含量保持在GTD -222中所允许的量以下，根据上述研究结果，最好在合金中完全排 除钽。我们相信，在研究过程中，所述铌的范围必须补偿排除或者减 少钽的量以保持合金所需的以及合金B1和B2所表现的性能。我们相 信，利用上述处理工艺对表II中列出的合金进行令人满意的热处理， 尽管也可使用适于镍基合金的常规热处理。 尽管已经参照优选实施例对本发明进行了详细描述，但是本领域 普通技术人员显然可采用其他形式。因此，本发明的保护范围是由所 附权利要求书所限定的。